近日，同济大学工程风险研究团队张冬梅教授、卜祥洪博士研究生与周文鼎博士研究生等在《Tunnelling and Underground Space Technology》期刊上发表了题为“Failure process and tensile stiffness of shield tunnel with reinforced concrete inner lining under internal water pressure”的研究论文，报道了内水压作用下盾构隧道钢筋混凝土内衬复合衬砌结构的破坏过程及其抗拉刚度演化规律的最新研究成果。

文章链接: https://doi.org/10.1016/j.tust.2023.105179

长距离输水隧道具有埋深大、水压高、地质条件复杂等特点，盾构隧道复合衬砌结构因其高承载能力而被广泛采用。然而，内水压作用下钢筋混凝土内衬受拉易开裂，内衬开裂后复合衬砌抗拉刚度降低，衬砌收敛量和接缝张开量增加，影响盾构隧道运营安全。因此，研究盾构隧道钢筋混凝土内衬复合衬砌结构的破坏机理及其抗拉刚度演化规律至关重要。本论文开展了盾构隧道复合衬砌内水压承载1:1原型试验，系统揭示了内水压作用下复合衬砌结构力学行为和破坏机理，阐明了复合衬砌抗拉刚度随内水压变化规律，基于试验结果提出了复合衬砌抗拉刚度计算方法。研究成果可为输水隧道工程盾构隧道复合衬砌结构承载能力优化设计提供借鉴和参考。

本文研究思路如下：首先，介绍了盾构隧道复合衬砌内水压承载原型试验装置、试验设计加载工况和监测方案（图1）；然后，根据试验钢筋混凝土应变、螺栓应变、接缝张开量及衬砌收敛量等监测数据，揭示了内水压下内外衬力学响应及破坏机理（图2和3）；进一步根据衬砌收敛量计算抗拉刚度，分析了抗拉刚度随衬砌破坏的演化规律；最终，考虑内衬开裂后混凝土与钢筋的粘结滑移关系，提出了复合衬砌的抗拉刚度计算方法，并与试验结果进行了对比验证（图4），系统分析了配筋率、内衬厚度对抗拉刚度的影响，相关研究成果可为复合衬砌承载力优化提供建议。

图1 原型试验布置图

（a）

（b）

（c）

图2 内水压下复合衬砌力学响应：(a)内衬钢筋应变，(b)螺栓应力，(c)衬砌收敛量

（a）  （b）

图3 复合衬砌破坏模式：（a）内衬钢筋剪切破坏；（b）管片手孔截面断裂

图4 复合衬砌抗拉刚度计算方法验证

论文研究结果表明：（1）复合衬砌承载特性可以分为四个阶段：① 弹性阶段，内外衬受力变形线性增长； ②开裂阶段，内衬临近管片接缝处产生裂缝，然后沿环向均匀分布多次开裂； ③接缝损伤阶段： 内衬开裂后外衬承担内水压比例增大，管片接头处受拉损伤； ④破坏阶段：内衬钢筋焊接点发生剪切破坏，引起临近管片接头截面处断裂，复合衬砌丧失承载能力；（2）与弹性阶段相比，开裂阶段和接缝损伤阶段复合衬砌抗拉刚度下降了76.2%、87.7%，抗拉刚度降低导致复合衬砌收敛变形显著增长，增加了隧道结构的安全风险；（3）本文提出的抗拉刚度计算方法与试验结果具有较好的一致性，理论分析表明增加内衬厚度可提高衬砌起裂荷载，而提高衬砌配筋率更有利于提高复合衬砌抗拉刚度，减小隧道变形。论文研究成果有助于类似盾构隧道复合衬砌结构承载能力优化设计，具有重要的理论意义和工程实用价值。

文献引用格式

Bu, X.H., Zhang, D.M., Zhou, W.D., Jiang, Y., Jia, K., & Yang, G.H. (2023). Failure process and tensile stiffness of shield tunnel with reinforced concrete inner lining under internal water pressure. Tunnelling and Underground Space Technology, 138, 105179.

供稿：卜祥洪

编辑：陈辉